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1、2023/8/19,1,饲料酶研究的理论与应用技术体系的建立,冯定远(华南农业大学动物科学学院),2023/8/19,2,饲料酶制剂,是目前唯一能够在不同程度同时解决影响可持续发展三大问题的饲料添加剂:饲料安全问题环境污染问题饲料成本上涨问题,2023/8/19,3,饲料酶制剂的研究,饲用酶制剂是一种特殊的添加剂，目前还存在不少的问题。最近几年，除动物生产性能和消化代谢试验外，研究向两个方向发展：1、酶制剂分子营养学等基础的探讨（冯定远等2006、2008a）。2、酶制剂饲料应用技术体系的建立（冯定远和沈水宝2005；冯定远等2008b、2008c）。,2023/8/19,4,饲料酶制剂的复杂
2、性,一、酶制剂生物活性的敏感性；二、酶的种类和来源的多样性；三、动物种类和生理阶段的差别性；四、日粮类型和饲料原料的复杂性；五、酶作用和加工条件的变异性；六、日粮营养水平与酶作用提供可利用营养的比较性。,2023/8/19,5,酶制剂在动物日粮中应用一直是人们怀疑和争论的话题，可以断定，这种争论将很长时间存在。,2023/8/19,6,这既反映了酶制剂生物活性的真实性和有效性问题。又反映了酶制剂应用对象的针对性和适用性问题。酶的真实有效是必要条件，酶的针对适用是充分条件，缺一不可。但是这还不够。,2023/8/19,7,酶制剂在饲料中应用有三种结果,第一种情况：酶制剂并不真实有效，典型的情况是
3、酶的种类和活性、酶学特性和抗逆性不适合作为饲料用酶 第二种情况：有些酶制剂是真实有效的，但是，酶制剂不具有针对适用性，最终还是不能发挥作用，典型的情况是动物种类和生理阶段没有针对性、日粮类型和原料特性没有适用性,2023/8/19,8,酶制剂在饲料中应用有三种结果,第三种情况：酶制剂是真实有效的、酶制剂也是针对适用的，酶在使用时已经发挥了作用，例如，提高了营养消化率，降低了抗营养因子的作用等。但是，动物并不表现生产性能的改善,2023/8/19,9,我们可以推导出，酶在饲料中应用能够发挥作用存在“三条件论”,2023/8/19,10,酶不能简单地使用，酶的使用不能仅仅关注酶的真实有效性、关注酶
4、的针对适用性，这说明了酶的使用必须与动物营养的基础结合起来、与日粮的物理和化学特性结合起来、与饲料的加工工艺结合起来，等等。所以，建立饲料酶理论与应用技术体系十分必要。,2023/8/19,11,酶制剂应用技术体系的建立,第一个是与动物营养结合的加酶日粮ENIV系统的建立；第二个是与日粮特性结合的高效饲料组合酶的设计；第三个是与饲料加工结合的饲料酶发挥作用位置的观点；第四个是酶制剂使用效果的预测；第五个是酶制剂应用效果的评价。,2023/8/19,12,酶制剂应用技术体系的建立,饲料酶使用的技术体系，目前这个体系的构建是初步的、也是不成熟的，但是，这个体系是开放的。目的是解决酶制剂与动物营养、
5、饲料加工的结合问题，使饲料酶制剂变成常规的添加剂。,2023/8/19,13,酶制剂应用技术体系的建立,1 饲料酶制剂理论与实践的新理念 加酶日粮ENIV系统的建立和应用 2 饲料酶制剂理论与实践的新思路 新型高效饲料组合酶的原理和应用3 饲料酶制剂理论与实践的新假设 饲料酶发挥作用位置的二元说及其意义,2023/8/19,14,饲料酶制剂理论与实践的新理念加酶日粮ENIV系统的建立和应用,2023/8/19,15,加酶日粮遇到的问题,使用有针对的酶相当于消化道的有效延长越来越多证据显示，饲用酶制剂的应用，对传统的动物营养学说提出了挑战（Sheppy，2004），如饲料配方、原料选择和营养需要
6、量等方面需要重新研究或修正。,2023/8/19,16,加酶日粮遇到的问题,原来的研究所得出的数据可能不一定反映出各种饲料原料在酶制剂催化以后的有效营养价值，现有的饲料原料数据库甚至饲养标准可能不完全合适使用酶制剂的日粮配方设计。,2023/8/19,17,建立加酶日粮新的营养价值系统的必要性,2023/8/19,18,所谓“黄金定律”:大麦葡聚糖酶小麦所谓“理论假设”：小麦木聚糖酶玉米说明大麦和小麦的潜在营养价值发掘以后，原来的营养价值体系并不适应添加酶的情况，需要建立另外一种营养价值系统,2023/8/19,19,加酶增加有效营养,不加酶时的状况,加酶时的状况,可利用成分,可利用成分,不可
7、利用成分,不可利用成分,增加的有效营养,2023/8/19,20,越来越多的人已经意识到酶制剂对有效营养的改善，并在应用时，调整日粮的饲养标准和降低营养水平。这种调整的依据是什么？调整的幅度应是多少？它的效果是否可以预测和量化？,2023/8/19,21,有效营养改进值,我们提出了“有效营养改进值”（Effective Nutrients Improvement Value，ENIV）初步建立了使用相应酶制剂的ENIV值数据表。并得到国家自然科学基金项目的支持研究。,2023/8/19,22,有效营养改进值,有效营养改进值的本质是使用酶制剂后，有效营养（或可利用营养，如代谢能、可消化氨基酸、有
8、效磷等）增加了。把这部分有效营养考虑设计日粮，可以使用更多的低价格的原料，特别是非常规原料。从理论上可以达到降低成本的目的,2023/8/19,23,有效营养改进值,在综合有关报道的基础上，提出了常见饲料原料使用相应酶制剂的ENIV值（见表）,2023/8/19,24,2023/8/19,25,2023/8/19,26,这一新的营养价值体系是和原来的体系有关联的，它只是相对地额外增加了有效营养供给量，而绝对的营养量并没有改变。这就是加酶日粮ENIV系统建立的前提。,2023/8/19,27,加酶日粮ENIV体系的意义,酶制剂能从饲料原料中释放出额外的有效营养成分。将这部分的额外而有效营养的量考
9、虑进去，可以降低日粮本身的营养浓度。,2023/8/19,28,饲料酶制剂理论与实践的新思路新型高效饲料组合酶的原理和应用,2023/8/19,29,单酶或单一酶（Single Enzyme）,指特定来源而催化水解一种底物的酶制剂如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、里氏木霉纤维素酶、康宁木霉纤维素酶、曲霉菌木聚糖酶、隐酵母木聚糖酶,2023/8/19,30,复合酶（Complex Enzymes）,指由催化水解不同底物的多种酶混合（mix）而成的酶制剂。多种酶的来源可以不同，也可以相同 复合酶可以以动物种类及阶段为目标设计酶谱和活性，如蛋鸡日粮专用酶；也可以以日粮特性为目标配制酶的种类和有效成分，如小麦型
10、日粮专用酶。,2023/8/19,31,如何解决酶制剂使用的“针对性”和“高效性”是酶制剂发挥其效果的关键,2023/8/19,32,酶制剂如何发挥高效性,对于复杂的底物,特别是一些非常规饲料原料或日粮的成分,单一的一种酶未必能够达到高效性。有必要运用具有协同作用的“组合拳”对底物处理。,2023/8/19,33,粗纤维的结构,结晶区,衍生结晶区,2023/8/19,34,饲料组合酶（Combinative Enzymes）,指利用酶催化的协同作用，由催化水解同一底物的来源和特性不同，选择具有互补性的两种或两种以上酶配合(formulate)而成的酶制剂。组合酶不是简单的复合，而应该是根据不同
11、酶的最适特性、作用特点和抗逆性的互补有机组合。可以是多种内切酶的组合，也可以是内切酶和外切酶的组合。,2023/8/19,35,来自嗜松青霉(P.pinophlum)的CBHS（和型）与内切葡聚糖酶（E至E）之间在水解棉花纤维上的协同作用,2023/8/19,36,饲料组合酶,组合酶应用最常见的例子是有目的地选择多种蛋白酶水解蛋白质原料生产生物活性肽，蛋白质原料的不同，几种蛋白酶的要求不同；目的肽的不同，几种蛋白酶的选择也不一样。,2023/8/19,37,饲料组合酶的特性,（1）催化水解同一底物酶的来源多样性（2）酶的催化反应的协同配合性（3）酶最适条件和抗逆特性的互补性（4）酶的应用效果的
12、高效性,2023/8/19,38,饲料组合酶,组合酶不是多种催化水解同一底物酶的简单混合，而是根据各自酶学特性的有机组合。合理的组合酶应考虑作用底物更有针对性、多种酶源的配合及互补和催化作用更加高效性。最大好处就是在酶的催化环境条件不理想的情况下，发挥其配合作用，从而达到高效能的目的。,2023/8/19,39,组合型复合酶制剂（Combinative&Complex Enzymes）,一个典型的组合型复合酶制剂产品应该包括催化水解多种底物，而且催化水解同一底物的酶制剂有几种来源不同的单酶组成，例如，应用大量杂粕和麦类的非常规原料的日粮，可以设计含有真菌木聚糖酶、细菌木聚糖酶、木霉纤维素酶和青
13、霉纤维素酶等组成的组合型复合酶制剂。,2023/8/19,40,组合酶与酶活之间可比性问题,目前酶制剂产品酶活之间没有可比性，只是笼统标明各种酶的活性，仔猪日粮专用酶：木聚糖酶(180000u/g)、-葡聚糖酶(25000u/g)、纤维素酶(11000u/g)、果胶酶(400u/g)、淀粉酶(2000u/g)、酸性蛋白酶(3000u/g)，添加量为50100g/T。木聚糖酶活性180000u/g是高还是低了？比另一企业产品的木聚糖酶活性120000u/g是更好吗？不能简单评判。,2023/8/19,41,组合酶与酶活之间可比性问题,组合酶的成分一般都要注明酶的来源 小麦杂粕日粮专用组合型液体酶
14、：哈茨木霉木聚糖酶(450000u/g)、蓝状菌木聚糖酶(350000u/g)、纤维杆菌纤维素酶(300000u/g)，嗜松青霉纤维素酶(350000u/g)，添加量为80100g/T。由于明确了酶的来源，酶活的意义就能够比较容易规范。,2023/8/19,42,饲料组合酶的理论基础,催化降解同一底物的酶来源很多，它们之间的催化功能既有可替代的、也有不可以替代的。可替代性就有更多的选择性，对整体降低应用成本有好处；不可替代性就存在着互补性，对真正发挥酶的最大效率有好处。,2023/8/19,43,饲料组合酶的理论基础,不同来源酶的酶学性质是不同的，它们催化降解的位点不同，有些是外切酶，有些是内
15、切酶。有目的互补组合，能够发挥各自性能，配合而达到最佳的作用效果。,2023/8/19,44,饲料组合酶的理论基础,如果饲料成分复杂底物，特别是非淀粉多糖的降解需要多种酶之间协同作用。二个或更多的酶之间的有效配合，其作用效果好于单一添加任何一种酶制剂的叠加作用，这种现象就是协同作用。Giligan和Reese（1954）在水解纤维素的过程中，首次证实了不同纤维素酶间的协同增效作用。,2023/8/19,45,饲料组合酶的理论基础,在一定条件下（特定的作用环境和时间），某一种酶数量或活性进一步增加并不能提高催化性能，各种酶和对应的底物浓度的反应基本动力学是米氏方程。而不同来源作用同一种底物的酶的
16、米氏方程不一样。,2023/8/19,46,饲料组合酶的理论基础,同一类酶而来源不同的其最适条件差异很大。不同菌属来源、不同发酵方式生产的纤维素酶在酶系组成及酶学特性上存在差异来自真菌的酶活性的最佳pH值在4.06.0之间，而来自细菌的酶的最佳活性pH为6.07.0之间。,2023/8/19,47,饲料组合酶的理论基础,同一类酶而来源不同的热稳定性差异很大。同一类酶而来源不同对于胃肠道的蛋白水解酶的耐受性差异很大。同一类酶而来源不同饲料的一些离子对酶的活性影响差异很大。,2023/8/19,48,饲料组合酶应用的价值,催化同一底物而来源不同的酶的价格是不同的，互相组合，可以利用一些来源方便，商
17、业生产成本比较低的酶制剂，再结合一些相对成本高、而作用能够互补的酶制剂，整体降低饲料酶制剂添加剂的使用成本,2023/8/19,49,饲料组合酶应用的价值,非常规饲料原料成分和结构的复杂性，组合酶或组合型复合酶由于其酶种来源及其互补和协同特性，能够发挥其快速高效作用的潜能。组合酶或组合型复合酶在提高非常规饲料原料日粮的利用效率、有效地开发非常规饲料原料资源等方面具有巨大的潜力。,2023/8/19,50,饲料组合酶应用的价值,仔猪对大豆蛋白的抗原性问题、谷物抗性淀粉利用问题，水产动物对植物蛋白利用问题，宠物对植物成分利用问题等。应用组合酶或组合型复合酶互补性和协同特性，有针对性开发特种动物专用
18、或者特种类型日粮专用的组合酶或组合型复合酶。,2023/8/19,51,饲料组合酶应用的意义,饲料复合酶的特点是解决催化多种饲料成分底物的问题；饲料组合酶的最大特点是解决催化饲料成分底物的高效性问题。目前，饲料酶制剂应用的最大问题就是高效性问题，在短时间内如何酶的配合发挥最大效率的问题最突出，随着非常规饲料原料的大量使用，高效的组合酶将更有优势。,2023/8/19,52,饲料酶制剂理论与实践的新假设 饲料酶发挥作用位置的二元说及其意义,2023/8/19,53,饲料调质加工,并不是所有的高温调质加工都百分百破坏酶的活性，更多情况是部分酶能够存活下来，多少比例酶能够耐高温残留下来，差别非常大，
19、除了加工条件外，也与酶种及特定酶的酶学性质，甚至日粮配方组成等都有关系。,2023/8/19,54,饲料酶作用位置二元说,酶制剂一方面不仅能够在动物消化道起催化作用另方面也能够在饲料高温加工过程中部分发挥催化作用,2023/8/19,55,三种情况,一是饲料酶可能只在动物消化道发挥作用；二是饲料酶也可能只在饲料高温加工过程中发挥催化作用；三是饲料酶既可以在饲料高温加工过程中部分发挥催化作用，又能在动物消化道中继续发挥作用,2023/8/19,56,假设的依据（1）,酶学原理在适当的环境条件下，酶制剂可以催化相应底物的水解。食品酶、啤酒酶、纺织酶、皮革酶和纸浆酶等就是在加工过程中发挥作用的。饲料
20、原料的酶制剂前处理，酶作用容易消化利用。动物消化道并不是酶发挥催化作用的唯一场所。,2023/8/19,57,假设的依据（2）,酶在无水的溶剂中不表现活性，但也不引起变性；水分使酶和底物接近和结合，加水后可使反应加快，说明水对酶的催化作用起着十分重要的作用。饲料调质加工必需加入水蒸汽，使物料含有一定水分，满足酶可以发生催化作用的基本条件。一般饲料调质物料含水分1618%，达到酶作用的水活性度（water activity）的要求。,2023/8/19,58,假设的依据（3）,酶在含水的有机溶剂系统中，酶的活性甚至高出在单一水溶液中的活性，表现出“超活性”（supper activity），而加
21、入水蒸汽调质的物料，饲料本身含有的油脂，就是一个含水的有机溶剂系统，可能在调质加工过程中，酶的催化作用表现出这种“超活性”，从而使酶在短时或瞬间就能发挥作用。,2023/8/19,59,假设的依据（4）,饲料调质加工的温度上升中，一定会有一个温度点符合该酶的最适温度，这在某种程度上讲，比在动物消化道内发挥作用更好。因为动物消化道内的温度比较恒定，不一定有机会符合某一特定酶的最适温度，即使酶活没有被破坏，但未必能够很好地发挥作用。,2023/8/19,60,假设的依据（5）,由于物料的导热性能特点，饲料调质加工的温度上升是有一个过程的，另外，一般酶的最适温度有一个范围 温度上升过程结合一定范围最
22、适温度，使得酶的作用可能有足够的催化反应时间 酶可能已经在加温调质的过程中，部分实现了对饲料大分子底物水解。,2023/8/19,61,假设的依据（6）,有些酶制剂的最佳活性温度比较高，适当的高温条件更有利于酶的催化作用的发挥。例如，来自嗜温和嗜热微生物的纤维素酶的最佳活性温度分别为60-80和90-110,2023/8/19,62,假设的依据（7）,溶液中的酶遇热失活，并不表明饲料中的酶遇热也失活，这是因为饲料中的酶与饲料成分存在互作。饲料原料在短时间内能够保护酶免受蒸汽或高温的破坏。说明会有部分酶能够耐过热的破坏，在加工过程中条件合适的情况下，这就有机会发挥酶的催化作用。,2023/8/1
23、9,63,加工过程催化作用的意义,在新型酶制剂的开发也大有作为根据加工工艺和酶学特性，开发专门在加工过程中发挥作用的酶制剂，开发部分在加工中起作用，部分在消化道发挥作用的酶制剂，等等,2023/8/19,64,加工过程催化作用的意义,大部分情况下，酶制剂在饲料高温加工过程中发挥催化作用可能作用不一定达到显著水平，更多是对大分子底物的初步处理，为在消化道进一步水解营养成分和降低抗营养作用提供了有利条件。,2023/8/19,65,第三届全国酶制剂研讨会,报到时间：11月26日会议时间：2009年11月2728日地点：广州市番禺丽江明珠酒店(广州市番禺大石迎宾路111号),2023/8/19,66,谢 谢!,
